universidad de burgos. area de tecnología electrónica

Instrumentación Electrónica

Tema 5

AISLAMIENTO

Universidad de Burgos. Area de Tecnología

Electrónica

Ignacio Moreno Velasco

Versión 6.1

Ignacio Moreno Velasco Área de Tecnología Electrónica. Universidad de Burgos

Apuntes de Instrumentación Electrónica (v6.1). 3º Grado Ingeniería Electrónica Industrial y Automática 2

INDICE 1.- PROBLEMÁTICA............................................................................................................................................................ 3

1.1.- MÁXIMA TENSIÓN EN MODO COMÚN DE AMPLIFICADORES................................................................................................. 3 1.2.- BUCLES DE TIERRA ........................................................................................................................................................... 3 1.3.- SEGURIDAD:..................................................................................................................................................................... 4

2.- SOLUCIONES................................................................................................................................................................... 5

2.1.- OPTOACOPLADORES ......................................................................................................................................................... 5 2.1.1.- Funcionamiento del Optoacoplador....................................................................................................................... 5 2.1.2.- Características ....................................................................................................................................................... 6

Tensión e impedancia de Aislamiento................................................................................................................................. 6 2.1.3.- ejemplos de AplicacióN.......................................................................................................................................... 6

Aislamiento puerto RS-232 ................................................................................................................................................. 7 Aislamiento en tarjetas I/O digitales para PC...................................................................................................................... 7

2.2.- AMPLIFICADOR DE AISLAMIENTO (AA) .............................................................................................................................. 8 2.2.1.- Funcionamiento ..................................................................................................................................................... 8 2.2.2.- Tipos de acoplamiento ........................................................................................................................................... 9

Inductivo: ............................................................................................................................................................................ 9 Óptico................................................................................................................................................................................ 10 Capacitivo ......................................................................................................................................................................... 10

2.2.3.- Alimentación ........................................................................................................................................................ 11 2.2.4.- Especificaciones................................................................................................................................................... 12

Modelo .............................................................................................................................................................................. 12 Tensión de modo aislado: Viso ......................................................................................................................................... 12 Función de transferencia ................................................................................................................................................... 13

2.2.5.- Aplicaciones ......................................................................................................................................................... 16 Protección de sistemas de adquisición de datos y equipos de test. .................................................................................... 16 Protección de sistemas de adquisición de datos y equipos de test. .................................................................................... 16 Medida de tensión y corriente en un motor eléctrico......................................................................................................... 17



1.- Problemática

1.1.- MÁXIMA TENSIÓN EN MODO COMÚN DE AMPLIFICADORES. Como ya vimos anteriormente, la tensión en modo común no es objeto de medida, pues no aporta

información sobre la magnitud física que tratamos medir. Por ello nos interesa un CMRR alto. Pero

además hay que tener en cuenta la máxima tensión en modo común que puede soportar el amplificador sin

dañarse. Este límite no suele andar lejos del valor de la tensión a la que se alimente el amplificador.

Rshunt

230 VAC

M

A.I.

+

-+Vs

Vref

- Vs

Rg

+5V

P. ej. en un AI, una tensión VMC de 230 V con un CMRR de 100 dB daría, aparentemente, una

tensión de error en la salida de varios mV, sin embargo el resultado real sería una destrucción del

circuito integrado.

1.2.- BUCLES DE TIERRA Como ya se vio en el tema de interferencias, si la masa de la señal y la del sistema de medida están

alejadas (i.e. existe una impedancia entre ellas), existirá una diferencia de potencial que provocará una

corriente entre ambos y por tanto un error en la medida.

En la figura el bucle de tierra queda “partido” por el acoplamiento óptico. (i.e. aislamiento galvánico)



1.3.- SEGURIDAD:

DE LAS PERSONAS:

Por ejemplo, en aplicaciones médicas, se necesita aislar al paciente de posibles descargas producidas por

fallos en los aparatos de medida.

Patient Monitoring Application. ( Burr-Brown Corporation)

DE LOS EQUIPOS:

Aislar el ordenador de las señales del transductor: El sistema monitorizado puede generar transitorios de

alta tensión que pueden dañar el ordenador. Esta diferencia de potencial entre masas puede llegar a ser

de cientos de voltios. Esto mismo es aplicable a cualquier equipo de medida más o menos delicado.

P. Ej. La mayoría de módulos acondicionadores SCXI de National Instruments conectables a PC

ofrecen un aislamiento de 250 Vrms canal-tierra y canal-canal.



2.- Soluciones

Una solución a la problemática tratada anteriormente consiste en aislar ciertas partes del sistema de

instrumentación. Los tipos de aislamiento galvánico que trataremos son: óptico, magnético y capacitivo.

Aislamiento Galvánico: es la ausencia de cualquier camino directo para corriente DC.

2.1.- OPTOACOPLADORES Un optoacoplador combina dos dispositivos semiconductores: fotoemisor y fotoreceptor existiendo entre

ambos un camino por donde se transmite la luz. Estos elementos se integran dentro de un encapsulado

que por lo general es del tipo DIP para dar cabida a dichos elementos.

2.1.1.- FUNCIONAMIENTO DEL OPTOACOPLADOR

Los optoacopladores son capaces de modular una señal luminosa, partiendo de una señal eléctrica, para

luego convertirla otra vez en señal eléctrica. De esta forma, establecen un aislamiento galvánico entre los

circuitos de entrada y salida.

La señal de entrada es aplicada al fotoemisor (LED) y la salida se toma del

fotoreceptor (fotodiodo, fototransistor).

En la imagen, la unión base-colector se comporta como un fotodiodo.

Los fotoemisores que se emplean en los optoacopladores de potencia son diodos

que emiten rayos infrarrojos (llamados IRED: Infrared Emitting Diode) y los

fotoreceptores pueden ser tiristores o transistores.

Cuando aplicamos una tensión sobre los terminales del diodo IRED, éste emite

un haz de rayos infrarrojos que se transmite a través de una pequeña guia-ondas

de plástico o cristal hacia el fotorreceptor. La energía luminosa que incide sobre

el fotorreceptor hace que este genere una tensión eléctrica a su salida.

Ejemplo especificaciones: Circuito básico de test del Fairchild 4N25P

En el ejemplo, base y emisor estan conectados: RBE = 0, RL=1K, IF = 2 mA tenemos:

Observar el desfase de 180º entre entrada y salida

Patillaje del optoacoplador Fairchild 4N25P



2.1.2.- CARACTERÍSTICAS

Tensión e impedancia de Aislamiento.

IN

Riso

Ciso

Viso

OUT

Circuito que refleja las especificaciones básicas del optoacoplador

TENSIÓN DEAISLAMIENTO: VISO

Suele especificarse para tiempos de 1s y de 1 minuto y su valor habitual sobrepasa los 5000 V.

También se expresa la impedancia de aislamiento como el paralelo de resistencia y condensador Riso

con Ciso, en el caso del 4N25P serían 0,5 pF//100 GΩ

Ejemplo de especificaciones: Características de aislamiento del Fairchild 4N25

2.1.3.- EJEMPLOS DE APLICACIÓN

Reguladores de fuentes de alimentación

Protección entradas digitales (microprocesadores)



Aislamiento puerto RS-232

Aislamiento en tarjetas I/O digitales para PC

64 optoisolated digital inputs (4 ports x 16 channels) 64 optoisolated digital outputs (4 ports x 16 channels) User-configurable glitch-free startup state for all output ports. 125V isolation between ports. Works with I/O levels to 32V. Onboard FIFO: 1k 16-bit words In/2k 16-bit words Out. PD2-DIO-128i ted Electronic Industries, Inc. www.ueidaq.com

Entradas digitales aisladas Salidas digitales aisladas

PD2-DIO-128i ted Electronic Industries, Inc. www.ueidaq.com



2.2.- AMPLIFICADOR DE AISLAMIENTO (AA) Amplificadores que rompen la continuidad óhmica entre su entrada y salida. Permiten:

Proteger la entrada de la salida: P. ej. Biometría

Proteger la salida de la entrada: P. ej. Sistema de medida – Sistema potencia

Observar que la tensión de modo común el amplificador es de unos 200 VDC. Un amplificador normal no lo aguantaría.

2.2.1.- FUNCIONAMIENTO

En la figura inferior observamos el símbolo habitual utilizado para el Amplificador de Aislamiento (AA).

El diagrama simplificado de funcionamiento incluye la modulación de la entrada para “traspasar” la

barrera de aislamiento. Posteriormente se produce la demodulación para finalmente obtener la salida.

+

-

Amplificador ganancia variableModulador

AMDemodulador

AM

Oscilador

SalidaEntrada

Barreraaislamiento



Ejemplo de especificaciones: BURR-BROWN© ISO213 Observar el diagrama de bloques de un AA real, el BURR-BROWN© ISO213 cuyo aislamiento es inductivo:

Diagrama simplificado de funcionamiento del BURR-BROWN© ISO213

2.2.2.- TIPOS DE ACOPLAMIENTO

Para acoplar entrada y salida, existen tres métodos principales: aislamiento inductivo, óptico y capacitivo:

Inductivo:

Contienen mini-transformadores toroidales. (Véase foto anterior del Analog Devices AD208AY)

Por ejemplo, el modelo ISO213 de BURR-BROWN© tiene un trafo cuyo dieléctrico aguanta una

tensión de ruptura de 3000 Vrms, sin embargo ofrece un ancho de banda de entre 200 Hz y 1 kHz

dependiendo de la amplitud de la señal y la ganancia deseada.



Óptico

Están basados en un conjunto LED-Fotodetector.

Ofrecen mayor ancho de banda que los basados en transformador (P. ej. el ISO130 ofrece 85 kHz)

Diagrama simplificado de funcionamiento del BURR-BROWN© ISO130

Observar como la transmisión es digital. Conversión A/D codificación transmisión

decodificación Conversión D/A Filtrado paso-bajo (suaviza la señal).

Capacitivo

La conexión mediante un condensador serie forma un aislamiento galvánico.

EJEMPLO DE ESPECIFICACIONES: BURR-BROWN© ISO175

Esquema simplificado del amplificador de instrumentación con aislamiento capacitivo Burr-Brown ISO175

Observar el amplificador de instrumentación formado por los tres AO, al que le sigue el

aislamiento capacitivo.

Al igual que los acoplados ópticamente, el proceso Modulación-Demodulación se realiza de forma

digital, por lo que incluye A/D, D/A

Ganancia ajustable mediante resistencia externa RG

Impedancia de aislamiento = 1014 Ω en paralelo con 6 pF



2.2.3.- ALIMENTACIÓN

El amplificador de aislamiento necesita alimentación separada y aislada para entrada y salida, para lo

que puede utilizarse un conversor DC/DC.

Este conversor DC/DC puede estar integrado en el propio AA o deberá proporcionarse de forma

externa mediante un circuito específico. Veamos ejemplos de ambos casos

Ejemplo de especificaciones: CONVERTIDOR DC/DC EXTERNO BURR-BROWN© BB722.

Puede proporcionar doble salida bipolar aislada de una entrada unipolar.

Tensión de aislamiento Viso = 2000 V continuos

-V+V

+Vcc-Vcc

ConvertidorDC/DC

V--Vo

C

p++Vo

Fuente DC

+15 -15

Ejemplo de aplicación. Alimentación bipolar aislada entrada-salida de un amplificador de aislamiento.

Ejemplo de especificaciones: CONVERTIDOR DC/DC INTERNO del AI BURR-BROWN© ISO213.

Incorpora un convertidor DC/DC que además tiene salidas (+Vss y -Vss)

para que el usuario pueda alimentar otros elementos del sistema.

Las salidas +Vss y –Vss presentan un rizado de 100 mVpp y frecuencia

25 KHz correspondiente al oscilador.

Ganancia programable mediante RG



2.2.4.- ESPECIFICACIONES

Modelo

+

-Riso

Ciso

Viso

Vseñal

Vcm

Vo

Barrera deaislamiento

La barrera de aislamiento puede especificarse mediante la tensión de aislamiento Viso, la resitencia

parásita Riso y la capacidad Ciso.

También aparece el efecto del modo común representado por Vcm.

Riso suele valer cientos de Gigaohms.

Ciso es normalmente menor de 10 pF.

Observar que Ciso tiene un valor muy pequeño, pero a una frecuencia de 10 MHz, esta

impedancia sería de tan solo 1,6 kΩ. La señal de 10 MHz podría tener su origen en los flancos de

señales digitales de fuentes de alimentación conmutadas. Se puede acoplar ruido de alta

frecuencia a través de esta capacidad.

Tensión de modo aislado: Viso

Es decir, la tensión entre las referencias de la entrada y la salida (en la figura Viso)

Suele especificarse de dos maneras, valor continuo y valor que soporta durante 1 minuto:

Ejemplo de especificaciones: BURR-BROWN© ISO213

1 minuto DC = 2500 V 1 minuto 50/60 Hz = 2500 V

Continuo DC= 2120 V Continuo 50/60 Hz = 1500V

Observar la diferencia de valores según la duración de la tensión Viso aplicada.



RELACIÓN DE RECHAZO AL MODO AISLADO (IMRR)

Relación de rechazo al modo aislado.

(Isolation Mode Rejection Ratio)

La tensión Viso produce un error en la

salida que se cuantifica mediante el IMRR:

IMRR = Viso/Vo

cuando Vdiferencial = Vmodo común = 0

Empeora al aumentar la frecuencia:

P. ej. IMRR50Hz < IMRRDC

Función de transferencia

Debemos incluir el efecto del modo común en la función de transferencia del AA, pues precisamente su

existencia es una de las razones para emplear este dispositivo en un circuito:

IMRRV

VAVAVo isoCMCMdd

La expresión entre corchetes cuantifica el error debido a la tensión en modo común Vcm y a la de

aislamiento Viso.

Si expresamos en función del CMRR, que es Ad/ACM, nos quedará:

IMRRV

CMRRV

VAVo isoCMdd

La ganancia diferencial es ajustable. Por ejemplo el BURR-BROWN© ISO213 especifica:

Ad = (1 + 50kΩ /RG )/2



Ejemplo de síntesis: Se pretende digitalizar mediante un A/D (rango de entrada unipolar de 1 V) la

corriente que absorbe un motor de 380 VAC (90 A máx.). Para ello utilizar un amplificador de aislamiento

Burr-Brown© ISO213 (datasheet disponible en documentación complementaria) con ganancia 10.

1) Dibujar el circuito completo. Conectar de forma que se minimice la tensión de modo común.

2) ¿Cuál puede ser el error debido a la tensión de aislamiento Viso y al Modo común?

3) ¿Cúantos bits puede tener el A/D sin que dicho error afecte a su resolución?

IMRRV

VAVAV ISOCMCMddo

Identificacos términos:

Ad) según el enunciado Ad = 10

Vd) Como el rango de entrada del ADC es de 1V y la ganancia del AA es 10, la tensión en

bornes de la resistencia será 100 mV.

ACM) Este parámetro lo podemos obtener del CMRR del AA, mirando el datasheet podemos

tomar como peor caso 90 dB 1090/20 = 31623. CMRR = Ad/ACM ACM = 10/31623 = 3’1623 ·

10-4

V CM) V CM = (100 mV + 0) /2 = 50 mV

Viso) El valor de Viso podría llegar al valor de la alimentación del propio motor, es decir 380 VAC.

IMRR) Del datasheet obtenemos IMRR = 115 dB = 10115/20 = 562341

Error debido a Vcm = ACM · VCM = 3’1623 · 10-4 · 50 mV = 15’8 uV

Error debido a Viso = Viso/IMRR = 380/562341 = 676 uV



PROPUESTO 5.1: El arranque de los motores de una fábrica llega a producir picos de tensión de

2500 V en la instalación eléctrica. Este pico se traduce en diferencia de potencial entre la toma de

tierra de dichos motores y la de un equipo de medida aislado mediante el BB3650. El rango de la

entrada a dicho equipo de medida es de ±50 mV procedente de un puente de Wheatstone

alimentado a +10 V y conectado a la toma de tierra de los motores. Si el rango de salida del AA debe

ser de ±5 V:

a) Dibujar el circuito. b) Hallar el valor de RG1 y RG2

c) ¿Cuál es el error relativo en la medida durante esos picos?. Considerar su contenido armónico

d) ¿Cuál es el error cuando la diferencia de potencial entre tierras sea de 500 V a 50 Hz?

Ejemplo de especificaciones: Amplificador de aislamiento óptico BURR-BROWN© 3650.

Visomax = 2000 Vp ó VDC continuada.

5000 Vp durante 10 s

RIN = 25 Ω

IMRR = 140 dB en DC, 120 dB a 60 Hz



2.2.5.- APLICACIONES

Biometría, Medida de corriente y control de motores, Control de SCRs.

Aislamiento de sensores (Termopares, RTDs, puentes de Wheastone, etc.)

Eliminación de bucles de tierra

Protección de sistemas de adquisición de datos y equipos de test.

AISLAMIENTO DEL SUBSISTEMA ANALÓGICO

AISLAMIENTO DEL SUBSISTEMA DIGITAL

http://zone.ni.com/devzone/cda/tut/p/id/3546

Aislamiento digital vs Amplificadores

de aislamiento:

Es más barato.

Mayor velocidad de transferencia

de datos.

Las técnicas de aislamiento

digitales dan a los diseñadores

analógicos más flexibilidad para

elegir los componentes y

desarrollar interfaces analógicas

óptimos para los dispositivos de

medición.

Los productos con aislamiento digital

utilizan circuitos limitadores de

corriente y tensión para proteger los

ADC.

Protección de sistemas de adquisición de datos y equipos de test.

Fuente de señal

Módulo acondicionador NI-SCC-AIXX

Conector de la tarjeta

Módulo acondicionador de National Instruments enchufable a tarjetas de adquisición de datos. El aislamiento protege el ordenador de daños debidos a tensiones elevadas.

PROPUESTO 5.2: ¿Cuál es la misión de los filtros pasobajo de la figura?. ¿Qué tipo de entrada

analógica debe configurarse en la tarjeta de adquisición de datos: diferencial o unipolar?



Medida de tensión y corriente en un motor eléctrico

PROPUESTO 5.3: Observar el

doble signo de la corriente y

relacionarlo con la posición de los

interruptores.

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